Also gab uns mein Physiklehrer einen Artikel darüber, wie die spezielle Relativitätstheorie Magnetismus in einem Draht mit Strom verursacht, selbst bei den geringen Driftgeschwindigkeiten von Elektronen in einem Strom. Es schien, dass die Grundlage des Artikels darin bestand, dass Magnetismus nur relativistische Elektrizität ist, also habe ich mich gefragt, wie ein Permanentmagnet funktioniert. Es macht für mich Sinn, dass ein sich bewegendes geladenes Teilchen unbewegte Teilchen der entgegengesetzten Ladung anzieht, aber wie bewirken die Umlaufbahnen von Elektronen in einem Magneten, dass es ein Magnetfeld hat?
Es ist ein Fehler zu glauben, dass die spezielle Relativitätstheorie (SR) Magnetismus verursacht. Der Artikel, den Sie gerade lesen, argumentiert das
Diese Aussage ist wahr, ich gebe es zu. Aber das ist genauso wahr
In Wirklichkeit sind Elektrizität und Magnetismus gleichermaßen grundlegende Teile der Physik. Die spezielle Relativitätstheorie vereint Elektrizität und Magnetismus zum Elektromagnetismus, genauso wie sie Raum und Zeit zur Raumzeit vereint. Zeit verursacht keinen Raum, Raum verursacht keine Zeit und SR verursacht weder Raum noch Zeit. SR offenbart lediglich die Bezogenheit von Raum und Zeit. Ebenso verursacht Elektrizität keinen Magnetismus, Magnetismus verursacht keine Elektrizität und SR verursacht weder Elektrizität noch Magnetismus. SR offenbart lediglich die Verwandtschaft von Elektrizität und Magnetismus.
Viele Leute stoßen in ihrem Physikunterricht an der High School oder am College auf (A) und missverstehen es schließlich als den grundlegenden Grund, warum Magnetismus existiert. Warum ist das so? Und warum weisen Lehrbücher fast nie auf (B) hin?
Der Grund dafür ist einfach, dass niemand in Frage stellt, warum Elektrizität existiert – elektrische Anziehung und Abstoßung scheinen völlig natürlich – während Magnetismus mysteriöser erscheint. Mit anderen Worten, diese pädagogische Asymmetrie zwischen Elektrizität und Magnetismus hat nichts mit Physik zu tun, sondern alles mit unseren angeborenen Vorurteilen und Intuitionen.
Es gibt zwei Phänomene in Ihrer Frage.
(1) Lassen Sie uns zunächst verstehen, wie angenommen werden kann, dass ein Magnetfeld aufgrund der Relativitätstheorie „entsteht“. Stellen Sie sich einen Bezugsrahmen vor, in dem eine Ladung ist in Ruhe. Wenn eine andere Gebühr in seine Nähe gebracht wird, erfährt es nur eine elektrostatische Kraft. Gehen Sie nun zu einem anderen Trägheitsbezugssystem, das sich mit einer Geschwindigkeit bewegt in Bezug auf das erste. In diesem Bezugsrahmen werden Sie beobachten, wie sich beide Ladungen bewegen. Die statischen Aufladungen des alten Bezugssystems treten nun als Ladungen und Ströme auf. Das elektrostatische Feld des vorherigen Rahmens erscheint nun als elektrostatisches Feld unterschiedlicher Größe und als magnetisches Feld. Da die Physik in allen Trägheitsbezugssystemen gleich ist, neigen wir dazu, das zu glauben und sind Manifestationen eines einzelnen elektromagnetischen Feldes.
Dies ist eine sehr "handwinkende" Art einer Erklärung. Weitere mathematische Details finden Sie in Rober Resnicks "Special Theory of Relativity" oder Melvin Schwartz' "Principles of Electrodynamics".
(2) Der erste Punkt versucht zu erklären, wie Magnetismus aufgrund eines Stroms als relativistischer Effekt angesehen werden kann. Betrachten wir nun den Magnetismus aufgrund von Elektronen. Elektronen haben neben Ladung und Masse auch ein intrinsisches magnetisches Moment, das nur durch die relativistische Quantenmechanik erklärt werden kann. Somit ist auch der Magnetismus eines Stabmagneten ein relativistischer Effekt. Bitte beachten Sie, dass der Magnetismus in einem Stabmagneten auf den Spin des Elektrons und nicht auf die Orbitalbewegung zurückzuführen ist.
Jinawee
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